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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Busanordnung zur Gleichstromversorgung von Schaltungselementen eines
Wechselrichters und soll im folgenden anhand eines Umrichters beschrieben
werden, wenngleich sie auch bei anderen Einsatzfällen denkbar und möglich ist.
Ein derartiger Umrichter richtet zunächst eine Netzspannung gleich
und stellt sie in einem Zwischenkreis als Gleichspannung zur Verfügung. Im
Zwischenkreis ist üblicherweise
eine Spule und ein Kondensatorblock angeordnet, der seinerseits
wiederum mit einer Schaltanordnung verbunden ist, die durch Ein-
und Ausschalten von Schaltern einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom
erzeugt. Die Schaltanordnung steuert beispielsweise über die
Frequenz die Drehzahl von elektrischen Ein- oder Mehrphasenmotoren. Um die Leistungsverluste
des Umrichters zu begrenzen, ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit
erforderlich. Ein Sonderfall ist ein einfacher Wechselrichter, bei
dem die Gleichspannung aus einer anderen Quelle stammt.
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Ein Hochgeschwindigkeitsschalten
bedeutet allerdings eine starke zeitliche Stromänderung, d.h. ein hohes di/dt.
Dementsprechend werden beim Umschalten wegen der Induktivität der Busanordnung
hohe Spannungsspitzen induziert. Die induzierten Spannungsspitzen
u ergeben sich aus der bekannten Beziehung u = L·di/dt. Es ist deswegen von
größter Wichtigkeit,
die Induktivität
L und damit die Induktanz der Busanordnung so klein wie möglich zu
halten.
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Um die Induktanz kleinzuhalten, sollten
die Leiter der Busanordnung so kurz, dünn und breit wie möglich sein.
Wenn man Leitungen mit gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten
Strömen
so anordnet, daß sie eng
benachbart sind und einander überlappen,
wird der magnetische Fluß,
der durch die entgegengerichteten Ströme erzeugt wird, weitgehend
eliminiert. Insgesamt wird der magnetische Fluß um die Leitungen herum im wesentlichen
Null. Somit bewirken Stromänderungen
nur kleine Flußänderungen,
wodurch der effektive Blindwiderstand oder die Induktanz der Busleitungen
drastisch vermindert wird.
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Es ist deswegen allgemein bekannt,
die Busanordnung laminiert auszubilden, d.h. mit einer positiven Leitung,
einer Isolierschicht und einer negativen Leitung, die einander überlappend
angeordnet sind. Diese Leitungen oder Leitschienen führen Ströme von gleichen
Amplituden und entgegengesetzten Richtungen von und zu der Kondensatoranordnung,
um dadurch den erzeugten magnetischen Fluß durch die Schaltströme in den
Busleitungsschienen zu eliminieren.
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Beispielsweise beschreibt
JP 62 040069 A eine
geschichtete Busanordnung mit einem daran montierten Kondensa tor.
Die Busanordnung hat Beine, die sich zu Schaltungselementen erstrecken.
Die Verbindungsbeine haben jedoch eine ungleiche Länge, da
die Beine der negativen Platte zumindest um die Dicke der Busanordnung überstehen.
Darüber
hinaus wird der Kondensator auf Beinen montiert, die von der Busanordnung abstehen,
wodurch der Kondensator auf einer Kante der Busanordnung montiert
wird, was mehr Raum benötigt.
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Eine andere Busanordnung ist aus
DE 41 10 339 C2 bekannt.
Auch hier sind die Leiterschienen eines Wechselrichters als Platten
ausgebildet, nämlich
eine positive Platte, die Pole von Leistungsschaltern mit Polen
der Kondensatoren verbindet, und eine negative Platte, die die anderen
Pole der Leistungsschalter mit den anderen Polen der Kondensatoren
verbindet. Die negative und die positive Platte sind durch eine
Isolationsschicht getrennt und auf den Schaltungskomponenten mit
Hilfe von Schrauben befestigt. Charakteristisch für diese
Konstruktion ist die gemeinsame Verwendung der Busanordnung mit
den Leiterschienen für
die Stromübertragung
und die Wärmeableitung.
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JP 04 133669 A zeigt eine laminierte Busanordnung
mit einer positiven und einer negativen Platte, einer Isolationsplatte
und einer Mittelpunktplatte. Die Mittelpunktplatte wird verwendet,
um zwei Kondensatoren in Reihe zu schalten. Die Mittelpunktplatte
ist hierbei in derselben Ebene angeordnet wie die positive Platte. Die
Platten der Busanordnung dienen hierbei als Verbinder zwischen dem
Kondensator und einem Gleichrichter und als eine Leitung zwischen
dem Kondensator und den Schaltern, wenn die Kondensatoren ihre Energie durch
die Schalter abgeben.
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Man hat in den bekannten Busanordnungen
(unter "Busanordnung" soll hier und im
folgenden eine Anordnung von Leitungen verstanden werden) zwar bereits
einen hohen Grad der Flußminimierung
erreicht. Dennoch zeigen sich größere Bereiche
in der Busanordnung, in denen die Busplatten einander nicht überlappen und
deswegen nichts zur Flußverminderung
beitragen. Diese "blinden" Flecke sind in den
Bereichen angeordnet, wo die Leistungskomponenten (hier und im folgenden
auch "Schaltungselemente" genannt) mit den
Busplatten verbunden sind. Nach der genannten
DE 41 10 339 C2 ist die
negative Platte an ihrem Ende Z-förmig und an den ersten Polen
der Schalter und Kondensatoren montiert, während die positive Platte ebenfalls
eine Z-Form an ihrem Ende hat. Sie ist parallel und dicht an der
negativen Platte montiert. Sie steht aber über die negative Platte vor,
um die zweiten Pole der Schalter und Kondensatoren zu erreichen.
Da die positive Platte länger
als die negative Platte ist, ergibt sich ein nicht mehr zu vernachlässigender
Bereich, bei dem die Kompensation für den magnetischen Fluß fehlt,
der während
der Stromübertragung
von den Kondensatoren zu den Schaltern entsteht. Außerdem wird
ein magnetischer Fluß durch
einen induktiven Strom erzeugt, der in Querrichtung fließt, und
zwar von einem Kollektor der als Transistoren ausgebildeten Schalter
zu einem anderen, und der nicht kompensiert wird. Diese fehlende
Kompensierung führt
zu einer Begrenzung der Schaltfrequenzen. Wie oben erwähnt, verursachen
die parasitären
Reaktanzen Überspannungen,
die über
die Nenndaten der Schaltungselemente hinausgehen. Hierdurch wird
entweder die Lebensdauer herabgesetzt, oder die Schaltungselemente
werden sogar zerstört.
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Darüber hinaus hat der Wechselrichter
nach der
DE 41 10 339
C2 einen sperrigen Aufbau.
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Aus der
US 5 172 310 A ist eine elektrische
Busanordnung zur Gleichstromversorgung von Schaltelementen (Schalter)
für einen
Wechselrichter mit einer ersten und einer zweiten Platte bekannt,
die unter Zwischenlage einer Isolierschicht parallel zueinander
angeordnet sind, wobei sich die erste und die zweite Platte im Bereich
zweier Gruppen der Schaltelemente mit Anschlußfortsätzen verzweigen, die jeweils
in unterschiedlichen Richtungen gerichtet sind, und die erste und
die zweite Platte parallel verlaufen. Die Schaltelemente liegen
alle in derselben Ebene. Anschlüsse
für Kondensatoren
sind nicht vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Busanordnung nach der
DE
41 10 339 C2 so auszubilden, daß zum einen die Schaltfrequenz
erhöht
werden kann, ohne die Schaltungselemente zu gefährden, und zum anderen ein
kompakter Aufbau des Wechselrichters möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht
in einer elektrischen Busanordnung zur Gleichstromversorgung von
Schaltungselementen eines Wechselrichters, mit einer ersten und
einer zweiten elektrisch leitenden Platte, die unter Zwischenlage
einer Isolierschicht mit ihren Ebenen parallel zueinander angeordnet
sind, wobei die erste Platte erste Anschlüsse einer ersten Gruppe von
in einer Ebene parallel angeordneten Schaltungselementen in Form
von Kondensatoren mit ersten Anschlüssen einer zweiten Gruppe von
in einer Ebene angeordneten Schaltungselementen in Form von Schaltern
verbindet und die zweite Platte zweite Anschlüsse der ersten Gruppe mit zweiten
Anschlüssen
der zweiten Gruppe verbindet, wobei sich die erste und die zweite
Platte im Bereich zwischen den Anschlüssen der Schalter der zweiten
Gruppe mit Anschlußfortsätzen verzweigen,
die jeweils in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind, und die
erste und die zweite Platte vom Zusammentreffen der Anschlußfortsätze an parallel
zueinander und senkrecht zu den Ebenen der Schalter und Kondensatoren
verlaufen.
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Damit erreicht man eine gegenseitige Überdeckung
der beiden Platten im stromführenden
Bereich, die bis zu der Verzweigung reicht. Erst ab der Verzweigung
findet die Eliminierung des magnetischen Flusses durch entgegengerichtet
verlaufende Ströme
nicht mehr statt. Da es sich aber nur um kurze Anschlußfortsätze handelt
und nicht mehr um ganze Plattenbereiche, sind die nicht kompensierten
Leiterbereiche relativ klein. Da sämtliche Kondensatoren des Wechselrichters
und seine Schalter in parallelen Ebenen zueinander angeordnet, die
Platten über
ihre gesamte Länge
eben sind und die Erstreckung der Schalter in ihre Ebene die der Kondensatoren überlappt,
ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau des Wechselrichters.
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Vorzugsweise liegen die Anschlußfortsätze in einer
Ebene, die mit einer Ebene, zu der die Platten parallel liegen,
nicht parallel ist. Mit anderen Worten, man kombiniert hier zwei
Forderungen. Zum einen müssen die
Anschlußfortsätze selbst
in einer Ebene liegen, die für
die Anschlußfortsätze der
ersten und der zweiten Platte gemeinsam ist. Diese Ebene ist aber
nicht gleich der Ebene, in der die beiden Platten der Busanordnung liegen.
Damit erreicht man eine geometrische Entkopplung. An den Anschlußfortsätzen steht
genügend
Raum für
die Montage der Schalter zur Verfügung. Die Platten stehen hierzu
in einem Winkel ab.
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Hierbei ist besonders bevorzugt,
daß die
Anschlußfortsätze unter
einem Winkel von 90° zu
den Platten stehen.
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Damit wird es möglich, die Verzweigung der
beiden Platten im Bereich ihrer Anschlußfortsätze in die geometrische Ebene
zu verlegen, die durch die Anschlüsse oder Pole der Schalter
definiert ist. Darüber
hinaus ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, die beiden Platten senkrecht
zu dieser Ebene anzuordnen, was den Vorteil hat, daß alle Kondensatoren,
die an den Platten montiert sind, leichter zugänglich sind und auch besser gekühlt werden
können,
beispielsweise durch Konvektion.
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Vorteilhafterweise sind die Anschlußfortsätze gleich
lang. Damit liegen die Platten in der Mitte zwischen den beiden
Polen. Die Ausbildung ist demnach symmetrisch. Der magnetische Fluß in den
beiden Anschlußfortsätzen wird
zwar nicht mehr kompensiert. Da es sich aber hier nur um recht kleine
Flächenbereiche handelt,
kann dies toleriert werden.
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Vorzugsweise sind beide Platten gleich
weit von den ersten Anschlüssen
und von den zweiten Anschlüssen
der Schalter entfernt. Damit ergibt sich eine symmetrische Anordnung,
und man erreicht auf diese Weise leichter eine gegenseitige Kompensation
der Ströme.
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Vorzugsweise liegt eine dritte elektrisch
leitende Platte auf einem Potential im Bereich der Mitte zwischen
den Potentialen der ersten Anschlüsse einer ersten Reihe der
Kondensatoren und der zweiten Anschlüsse einer zweiten Reihe der
Kondensatoren. Hierbei spielt es keine Rolle, daß die zweite und dritte Platte auf
unterschiedlichen Potentialen liegen. Entscheidend ist vielmehr,
daß sie
vom Strom in der gleichen Richtung durchflossen werden.
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Günstig
ist es ferner, wenn die erste Reihe der Kondensatoren parallel zur
zweiten Reihe der Kondensatoren angeordnet ist und die dritte Platte
in der Ebene der ersten Platte liegt und zweite Anschlüsse der
ersten Reihe der Kondensatoren mit ersten Anschlüssen der zweiten Reihe der
Kondensatoren verbindet. Dies ergibt einen noch kompakteren Aufbau.
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Vorzugsweise ist dafür gesorgt,
daß die
erste Platte mit mehreren ersten Leitungsbereichen und die zweite
Platte mit einer entsprechenden Anzahl von zweiten Leitungsbereichen
versehen sind, wobei die ersten Leitungsbereiche jeweils die ersten
Anschlüsse
der Schalter miteinander oder mit einem ersten Versorgungsanschluß und die
zweiten Leitungsbereiche jeweils die zweiten Anschlüsse der
Schalter miteinander oder mit einem zweiten Versorgungsanschluß verbinden
und einander entsprechende erste und zweite Leitungsbereiche einander überdeckend
angeordnet sind, wobei die Schalter so betrieben werden, daß die Summe
der Ströme
in einander entsprechenden ersten und zweiten Leitungsbereichen
vor und nach einem Schaltvorgang gleich ist.
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Mit den zuvor genannten Maßnahmen
kann man erreichen, daß die
Induktanz der gesamten Busanordnung klein bleibt, weil der Fluß dadurch
stark vermindert wird, daß einander
entgegengesetzt gerichtete Ströme
in den beiden Platten fließen.
Mit der hier vorgestellten weiteren Maßnahme wird zwar der Fluß nicht kompensiert,
also durch entgegengesetzt gerichtete Ströme vermindert, sondern es werden
nur Flußänderungen
klein gehalten. Dies läßt sich
am einfachsten anhand des Wechselrichterabschnitts eines mehrphasigen Umrichters
erläutern.
Ein Drei-Phasen-Wechselrichter weist beispielsweise sechs gesteuerte
Schalter auf, die durch anti parallel geschaltete Freilaufdioden überbrückt sind.
Die Schalter sind beispielsweise durch Feldeffekttransistoren (FET)
oder durch bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode
gebildet. Jeder Leitungszweig, in dem zwei Schalter hintereinander
angeordnet sind, ist über
den Mittelabgriff mit einem Verbraucher verbunden. Der Strom fließt nun durch
einen Schalter in einem Zweig, dann durch mindestens zwei Phasen des
Verbrauchers und dann durch einen Schalter eines anderen Zweiges
zurück.
Hierbei fließt
der Strom durch Leitungsstrecken, die von der Versorgungsleitung
zu dem entsprechenden Ausgang des Schalters gelegt sind. Wenn nun
der Schalter geöffnet
wird, kann der Strom nicht mehr hindurchfließen. Er sucht sich dann einen Weg über die
Freilaufdiode des anderen Schalters im gleichen Brückenzweig.
Dementsprechend fließt
er durch die andere Versorgungsleitung. Wenn man nun die beiden
Versorgungsleitungen auf den Platten so einrichtet, daß sie einander überlappen,
dann fließt
vor dem Öffnen
dieses Schalters der Strom in der einen Platte und nach dem Öffnen in
der anderen Platte, dies aber immer im gleichen Bereich und in der
gleichen Richtung. Dementsprechend ändert sich der Fluß praktisch
nicht. Man ist hierbei nicht einmal darauf festgelegt, daß der Strom
in konkreten Leiterbahnen fließt,
wenngleich dies natürlich
die Ausgestaltung erleichtert. Wenn die beiden Platten in ihrer
physikalischen Eigenschaft im wesentlichen gleich sind, dann reicht
es aus, wenn man die entsprechenden Anschlußpunkte gleich positioniert.
Mit dieser Ausgestaltung verhindert man, wie gesagt, Flußänderungen.
Spannungen werden aber nur dann induziert, wenn sich der magnetische
Fluß ändert. Solange
sich der Fluß nicht ändert, werden
auch keine Spannungen und auch keine Spannungsspitzen induziert.
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Mit Vorteil stehen die Anschlußfortsätze einander
gegenüber.
Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, die Stromlaufpfade
in der positiven Platte und in der negativen Platte gleich auszubilden,
so daß sie
einander überdecken.
In diesem Fall läßt sich
die Summe der Ströme
in der ersten und in der zweiten Platte gleich halten, auch wenn
sich der Schaltzustand des Wechselrichters ändert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine
Explosionsansicht einer elektrischen Busanordnung,
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2 eine
perspektivische Ansicht der Busanordnung,
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3 einen
Schnitt A-A nach 2,
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4 eine
Schaltungsanordnung mit einem ersten Stromverlauf und
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5 eine
Schaltanordnung mit einem zweiten Stromverlauf.
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Eine Busanordnung 1, die
in 1 dargestellt ist,
dient zur Gleichstromversorgung einer in 1 nicht näher dargestellten Wechselrichteranordnung.
Die elektrische Schaltung einer derartigen Wechselrichteranordnung
findet sich in den 4 und 5. Die Busanordnung 1 kann
man auch als Leiteranordnung bezeichnen. Bei einer Leiteranordnung
zur Gleichstromversorgung sind im Prinzip zwei Leiter ausreichend,
nämlich
ein positiver Leiter für
die Leitung des Stroms zum Wechselrichter und ein negativer Leiter
für die
Leitung des Stroms vom Wechselrichter.
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Dementsprechend ist die Busanordnung 1 gebildet
durch eine erste Platte 2, die im folgenden auch als positive
Platte bezeichnet wird, und eine zweite Platte 3, die im
folgenden auch als negative Platte bezeichnet wird. Die beiden Platten 2, 3 werden
unter Zwischenlage einer Isolierschicht 4, die als Platte
oder als Folie ausgebildet sein kann (in 3 wegen geringer Dicke nicht erkennbar),
flächig
aneinandergelegt, so daß sie parallel
sind. Hierbei deckt die erste Platte 2 die zweite Platte 3 vollständig ab.
Auf der der Isolierschicht 4 abgewandten Seite der ersten
Platte 2 ist eine Halteplatte 5 angeordnet. In
der gleichen Ebene wie die zweite Platte 3 ist eine dritte
Platte 6 als Mittelplatte angeordnet, deren Funktion weiter
unten erläutert
werden wird.
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An der ersten Platte 2 befindet
sich ein positiver Anschluß 7 und
an der zweiten Platte 3 ein negativer Anschluß 8,
der zur Strom- und Spannungsversorgung der Busanordnung 1 genutzt
werden kann. Die Platten werden auf Montagefüßen 9 zusammengebaut,
die in den 2 und 3 nicht dargestellt sind.
Die Montagefüße 9 sind
elektrisch isolierend. Um einerseits die Platten zusammenzuhalten
und andererseits elektrische Verbindungen herzustellen, weisen die
Platten 2–6 Bohrungen 10, 11 auf,
durch die Anschlüsse
oder Pole 12, 19, 20 und 21 von
Kondensatoren 13 oder Schrauben 22 zur Befestigung
der Kondensatoren 13 geführt werden können.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Busanordnung 1 mit
den Kondensatoren 13 auf Modulen 14 montiert,
die die Schalter des Wechselrichters enthalten. Diese Schalter können beispielsweise
als bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBT =
Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet sein. Die Platten 2, 3 stehen
hierbei senkrecht zu den Modulen 14.
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Die Platten 2, 3 verbinden
die Kondensatoren 13 mit den Modulen 14 und ihren
Schaltern, und zwar über
die Platte 2 so, daß der
Strom von den Kondensatoren 13 zu den Modulen 14 fließen kann,
und über
die Platten 3, 6 so, daß der Strom von den Modulen 14 zu
den Kondensatoren 13 zurückfließen kann. Hierbei sind die
Kondensatoren 13 in zwei Reihen übereinander angeordnet. Die
Kondensatoren der oberen Reihe sind hierbei parallelgeschaltet.
Die Kondensatoren 13 der unteren Reihe sind ebenfalls parallelgeschaltet.
Die beiden parallelgeschalteten Reihen sind hingegen wieder in Reihe
geschaltet. Hierzu dient die Mittelplatte 6. Sie verbindet
die Minus-Pole 19 der Kondensatoren der oberen Reihe mit
den Plus-Polen 20 der Kondensatoren der unteren Reihe,
wie anhand von 3 erkennbar
ist. Die Mittelplatte 6 befindet sich also auf einem Potential zwischen
den Potentialen der Plus-Pole 12 der Kondensatoren der
oberen Reihe und den Minus-Polen 21 der Kondensatoren der
unteren Reihe. Wenn die Kondensatoren gleich sind, befindet sich
die Mittelplatte 6 mit anderen Worten auf dem Null-Potential,
d.h. in der Mitte zwischen dem Plus- und dem Minus-Potential.
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Wie sich anhand von 3 erkennen läßt, weist die erste oder Plus-Platte 2 einen
Anschlußfortsatz 15 auf
und die zweite oder Minus-Platte 3 einen Anschlußfortsatz 16.
Beide Anschlußfortsätze 15, 16 sind gleich
lang und rechtwinklig zu den Platten 2, 3 abgebogen.
Dementsprechend stehen die Platten 2, 3, wie erwähnt, senkrecht
auf den Modulen 14. Die beiden Anschlußfortsätze 15, 16 stoßen an einem
Punkt 17 zusammen. Von dem Punkt 17 an nach oben
sind die Platten 2, 3 bzw. 2, 6 parallelgeführt und überlappen
einander. Ausgenommen ist lediglich ein kleiner Bereich 18 in
der Nähe
des Plus-Pols 12 der Kondensatoren 13 der oberen
Reihe. Dieser Bereich ist aber relativ weit von den Modulen 14 entfernt.
Die Überdeckung
geht aber zumindest bis zum Minus-Pol 19 der Kondensatoren 13 der
oberen Reihe. Die Pole 12, 19 der Kondensatoren 13 der
oberen Reihe bzw. der Plus-Pol 20 und der Minus-Pol 21 der
Kondensatoren 13 der unteren Reihe sind durch die Schrauben 22 oder,
wenn die Pole durch die Löcher 10 bzw. 11 der
Platten hindurchgeführt
und mit Gewinde versehen sind, durch Muttern mit der Busanordnung 1 verbunden.
Die Halteplatte 5, die aus Kunststoff gebildet ist, erlaubt
hier eine gewisse Vorspannung.
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Neben anderen Vorteilen hat diese
Ausbildung auch den Vorteil der leichteren Montage und Wartung. Wenn
ein Kondensator 13 ausgewechselt werden muß, reicht
es aus, die Schrauben 22 zu lösen, den Kondensator auszutauschen
und die Schrauben 22 wieder zu befestigen.
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Die beiden Platten 2, 3 sind
im Schnitt gesehen als zwei "L" ausgebildet, die
Rücken
an Rücken
aneinanderliegen. Hierbei gehen die unteren Schenkel der "L" nicht über die gesamte Länge der
Platten 2, 3 durch. Sie beschränken sich vielmehr auf den
Bereich der Module 14 und, wenn Snubber (Dämpfer) 27 neben
den Modulen 14 angeordnet sind, auch auf diese, wie 3 zeigt. Es handelt sich
also um relativ kleine Flächenanteile.
In den übrigen
Flächen,
ausgenommen der Bereich 18, liegen sich immer zwei Platten
gegenüber,
in denen die Ströme
entgegengesetzte Richtungen haben. Dadurch wird der magnetische
Fluß sehr
klein gehalten. Im Grunde genommen wird er auf den Wert Null vermindert.
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Änderungen
im Strom, die unvermeidlich sind, bewirken also allenfalls eine Änderung
des Flusses im Bereich Null. Dort sind sie aber relativ klein, so
daß die
kleinen Änderungen
auch nur kleine Spannungen induzieren können. Mit dieser Anordnung
wird also der gesamte Fluß klein
gehalten. Die Anschlußfortsätze 15, 16 sind
mit Anschlüssen 23, 24 oder
Polen der Module 14 durch Schrauben 26 verbunden.
Hierbei ist der Anschluß 23 der
Plus-Pol und der Anschluß 24 der
Minus-Pol. Die Module 14 weisen ferner noch einen Anschluß 25 auf,
der einen Mittelabgriff bildet, wie anhand der 4 und 5 erläutert werden
wird.
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Da die beiden Anschlußfortsätze 15, 16 einerseits
gleich lang sind und andererseits rechtwinklig zu den Platten 2 bzw. 3 abgebogen
sind, steht die Busanordnung nicht nur senkrecht auf den Modulen 14.
Sie befindet sich auch in der Mitte zwischen den Anschlüssen 23, 24 und
ist bis zu einer geometrischen Ebene heruntergezogen, die durch
die Anschlüsse 23, 24 definiert
ist.
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Nach 2 sind
neben den Modulen 14 Snubber (Dämpfer) 27 vorgesehen,
die ebenfalls mit den Anschlußfortsätzen 15, 16 verbunden
sind.
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Die 4 und 5 zeigen eine weitere Maßnahme zur
Verminderung von Spannungsspitzen, die es entsprechend erlaubt,
die Schaltfrequenzen zu erhöhen.
Diese Maßnahme
beruht auf dem gleichen Grundgedanken, nämlich das Ausnutzen von überlappenden
oder einander überdeckenden
Stromlaufpfaden zur Verringerung von Flußänderungen.
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4 zeigt
hierbei den Schaltzustand eines Wechselrichters 28, der
durch drei elektrisch parallelgeschaltete Module 14 gebildet
ist, in einem Zustand kurz vor dem Öffnen eines Schalters UN. 5 zeigt den Zustand kurz
nach dem Öffnen
dieses Schalters UN.
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Der Wechselrichter 28 weist
drei Zweige auf, wobei jeder Zweig zwischen einer Plus-Schiene P
(entsprechend der Platte 2) und einer Minus-Schiene N (entsprechend
der Platte 3) angeordnet ist. Jeder Zweig weist zwei in
Reihe angeordnete Schalter UP, UN bzw. VP, VN bzw. WP, WN auf. Diese Schalter sind als IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor – bipolarer
Transistor mit isolierter Steuerelektrode) ausgebildet. Hierbei sind
die Emitter der Transistoren mit Index P mit dem Kollektor der Transistoren
mit dem Index N verbunden. In dieser Verbindung befindet sich der
Mittelabgriff, der zu dem Anschluß 25 führt. Die
Schienen P, N sind hingegen mit den Anschlüssen 23, 24 verbunden.
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Die Schienen P, N sind jeweils unterteilt
in drei Abschnitte P1, P2,
P3 bzw. N1, N2, N3, wobei diese
Abschnitte zwischen den positiven bzw. negativen Polen der Brückenzweige
bzw. zwischen den positiven bzw. negativen Polen der Brückenzweige
und einem Plus-Anschluß (+)
bzw. einem Minus-Anschluß (-)
gelegen sind. Diese Abschnitte P1, P2, P3 bzw. N1, N2, N3 können auf
den Platten 2, 3 explizit ausgeführt sein.
Sie müssen
es aber nicht. Sie ergeben sich vielmehr aus der räumlichen
Zuordnung der Pole bzw. Anschlüsse
der Kondensatoren 13 und der Module 14.
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Bei dem Schaltzustand, der in 4 dargestellt ist, ist der
Schalter UN noch geschlossen. Der Strom fließt dementsprechend vom Plus-Anschluß durch
den Abschnitt P2, den Schalter VP, eine Phase b eines Verbrauchers 29 und
teilt sich dann auf in zwei Phasen a, c, und zwar ungleichmäßig, wenn
die Verbraucherphasen nicht gleich sind. Bei einer angenommenen
Stromstärke
von 500 A fließt
beispielsweise ein Strom von 300 A durch die Phase a und ein Strom
von 200 A durch die Phase c zurück
zu den Anschlüssen 25 der
Schalter WN und UN.
Die 300 A fließen
dann durch den Schalter UN und durch die
Leitungsabschnitte N1, N2.
Die 200 A in der Phase c des Verbrauchers 29 fließen durch
den Schalter WN und den Leitungsabschnitt
N3. In der P-Leitung ist nur der Leitungsabschnitt
P2 mit 500 A belastet.
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Wenn nun der Schalter UN öffnet, ändert sich
in diesem Augenblick aufgrund der relativ großen Induktivität des Verbrauchers 29 der
Strom und die Stromverteilung in den Phasen a, b, c nicht, wie es
in 5 dargestellt ist.
Der Strom von 300 A fließt
dementsprechend zurück
zu dem Punkt zwischen den Schaltern UP und UN. Da beide Schalter geöffnet sind, fließt der Strom
durch die Freilaufdiode des Schalters UP (jeder
Schalter ist mit einer derartigen Freilaufdiode versehen) und den
Leitungsabschnitt P1 und dann sozusagen
im Kreis durch den Schalter VP wieder in
die Phase b. Dementsprechend muß der
Leitungsabschnitt P2 nur noch einen Strom
von 200 A aufnehmen, während
im Leitungsabschnitt N2 kein Strom mehr
fließt.
Die Verhältnisse
in den Leitungsabschnitten P3 und N3 haben sich hingegen nicht geändert. Im
Leitungsabschnitt P3 fließt kein
Strom, während
im Leitungsabschnitt N3 weiterhin 200 A
fließen.
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Wenn man nun die Summe der Ströme in den
Leitungsabschnitten P1, N1 bzw.
P2, N2 und P3, N3 miteinander
vergleicht, stellt man fest, daß die
Summe der Ströme
vor dem Öffnen
des Schalters UN und nach dem Öffnen dieses Schalters
UN (5) gleichgeblieben
ist. Dies läßt sich
auch anhand der nachfolgenden Tabelle nachvollziehen.
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Der Strom wird zwar von einer Platte
auf die andere verlagert. Dies ergibt eine geringfügige räumliche Änderung
des Flusses und damit eine kleine induzierte Spannung. Da aber die
Stromstärke
nicht geändert wird,
bleibt die Flußstärke gleich,
so daß durch
eine Änderung
der Stärke
des Flusses keine Spannungen induziert werden können.
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Die Ströme werden bei einem Wechselrichter
häufig
an- und abgeschaltet.
Die von den Strömen
verursachten magnetischen Felder schwingen deswegen und erzeugen
einen Strom mit hoher Frequenz durch die Kondensatoren und die Dämpfer 27.
Wenn man hingegen eine erfindungsgemäße Busanordnung 1 verwendet,
bei der die Platten so zueinander angeordnet sind, daß nur ganz
kleine nicht kompensierte Bereiche existieren, dann minimiert die
Induktanz die Amplitude der Schwingungen. Man kann damit erreichen,
daß derartige
Wechselrichter den Anforderungen an elektromagnetische Störungen genügen. Auch
die Gestaltung der Snubber 27 wird einfacher.
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Die vertikale Struktur der Busanordnung,
wie sie in 3 dargestellt
ist, hat neben dem Vorteil der leichteren Montage und Wartung auch
den Vorteil, daß man
mehrere Kondensatoren in Reihe schalten kann. Hier bei fließt der Strom
zwar von den Pluspolen der unteren Reihe durch die Mittelplatte 6 zu
den Minuspolen der Kondensatoren der oberen Reihe 13. Die
Stromrichtung verläuft
hierbei jedoch von unten nach oben, genau wie in der zweiten Platte 3,
so daß auch
die Mittelplatte 6 funktional als Teil der zweiten Platte 3 betrachtet werden
kann, in dem Ströme
entgegengesetzt zu der Richtung in der ersten Platte 2 fließen.